terça-feira, 25 de março de 2014

A procura de novas fontes de energia limpas e renováveis – Sétima Parte

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Fusão Nuclear!
A energia a ser dominada, a energia das estrelas.
É o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje, início do século XXI, ainda não foi encontrada uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão.
O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, acadeia próton-próton é a reação dominante. Em estrelas mais pesadas, predomina o ciclo CNO.
Requisitos para a Fusão
Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, dois núcleos expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática que atua entre seus protões positivamente carregados. Se os núcleos puderem ser aproximados suficientemente, porém, a barreira eletrostática pode ser sobrepujada pela força nuclear forte a qual é mais poderosa a curta distância do que a repulsão eletromagnética.
Quando uma partícula tal como o próton ou nêutron é adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outros núcleons, mas principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Os núcleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande razão de superfície para volume, a energia de ligação por núcleon devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à vizinhança do núcleon totalmente preenchida....
Uma notável exceção a esta regra geral é o núcleo do hélio-4, cuja energia de ligação é maior que a do lítio, o próximo elemento mais pesado. O princípio de exclusão de Pauli provê um explicação para este comportamento excepcional – isto se dá porque os prótons e nêutrons são férmions, eles não podem coexistir exatamente no mesmo estado. Cada estado energético de um próton ou nêutron em um núcleo pode acomodar uma partícula de spin para abaixo e outra de spin para acima. O Hélio-4 tem uma banda de energia de ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste de dois prótons e dois nêutrons; então todos os núcleons dele podem estar em um estado fundamental. Qualquer núcleon adicional deverá ir para um estado energético alto.
A situação é similar se dois núcleos são colocados juntos. Ao se aproximarem, todos os prótons em um núcleo repelem todos os prótons do outro, até o ponto em que os dois núcleos entrem em contato para que a força nuclear forte domine. Consequentemente, mesmo quando o estado de energia final é mais baixo, há uma grande barreira energética que deve ser ultrapassada primeiro. Na química, este fato é conhecido como energia de ativação. Em física nuclear ele é chamado de barreira de Coulomb.


Reator de fusão nuclear ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) começará a ser montado na França.
O ITER é um reator de fusão nuclear do tipo Tokamak, e está sendo desenvolvido pela União Europeia (45%), Índia (9%), Japão (9%), Coréia do Sul (9%), China (9%), Rússia (9%) e Estados Unidos (9%) e Agencia Internacional de Energia Atômica.
O ITER tem 1 milhão de componentes e é uma das maquinas mais complexas já desenvolvidas, envolvendo a participação de dezenas de milhares de físicos, engenheiros e 350 empresas.
O plasma aquecido a 150 milhões de ºC que circula no vácuo será mantido a uma distancia segura das paredes de metal do reator por um intenso campo magnético criado por 80 mil quilômetros de cabos supercondutores resfriados a 269 graus abaixo de zero.
O projeto está orçado em dezenas de bilhões de dólares.

 A barreira de Coulomb é menor para os isótopos do hidrogênio – eles contêm uma única carga positiva em seus núcleos. Um bipróton não é estável, então os nêutrons devem ser envolvidos, de forma a produzir um núcleo de hélio.
Usando combustível deutério-trítio, a barreira de energia resultante é de cerca de 0,1 MeV. Em comparação, a energia necessária para remover um elétron do hidrogênio é 13,6 eV, cerca 7.500 vezes menos energia. O resultado (intermediário) da fusão é um núcleo instável de 5He, o qual imediatamente ejeta um nêutron com 14,1 MeV. A energia recuperada do núcleo de 4He remanescente é 3,5 MeV, então a energia total liberada é 17,6 MeV. Isto é muitas vezes mais que a barreira de energia a ser transposta.
Se a energia para iniciar a reação vem da aceleração de um núcleo, o processo é chamado de fusão por projétil-alvo; se ambos os núcleos são acelerados, isto é fusão projétil|projétil. Se o núcleo faz parte de um plasma próximo ao equilíbrio térmico, denominamos fusão termonuclear. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas, então por aquecimento o núcleo deverá ganhar energia e eventualmente transpor a barreira de 0,1 MeV. A conversão das unidade entres elétron-volts e kelvins mostra que esta barreira será transposta quando a temperatura ultrapassar 1 GK, obviamente uma temperatura muito alta.
Há dois fatos que podem diminuir a temperatura necessária. Um é o fato que a temperatura é uma média da energia cinética, implicando que alguns núcleos a esta temperatura poderão já ter uma energia maior que 0,1 MeV, enquanto outros um pouco menos. Estes núcleos na faixa de alta-energia da distribuição de velocidade participam da maioria das reações de fusão. O outro efeito é otunelamento quântico. O núcleo não precisa sempre ter bastante energia, podendo atravessar, por efeito túnel, a barreira restante. Por esta razão, combustíveis a temperaturas menores podem experimentar eventos de fusão, a uma taxa mais baixa.
A seção transversal da reação σ é uma medida da probabilidade de reação de fusão com uma função da velocidade relativa dos dois núcleos reativos. Se os núcleos têm uma distribuição de velocidade, isto é, uma distribuição térmica com a fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre a distribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A taxa de reação (fusão por volume por tempo) é <σv> vezes o produto da densidade dos participantes:

Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação PP, então o produto  pode ser substituído por  aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um significativo valor a temperatura de 10 - 100 keV. A estas temperaturas, bem abaixo da energia de ionizaçãotípica (13,6 eV no caso do hidrogênio), os reativos da fusão existem um estado de plasma.
O significado de <σv> como uma função da temperatura em um experimento com uma energia de tempo confinamento é determinado pela utilização do critério de Lawson..

Processo de Fusão;
O mecanismo de fusão é quase o inverso do mecanismo de fissão nuclear: núcleos leves e rápidos podem colidir, e fundir para formar núcleos mais pesados, sendo que há também uma quantidade considerável de energia liberada nesse processo. Essa energia está associada à dissipação de calor, depende diretamente das massas dos parceiros envolvidos na reação e
 tem suas propriedades relacionadas com a matéria nuclear, isto é, para que ocorra a fusão, alguns requisitos devem ser satisfeitos pelos parceiros envolvidos no processo:
·  1) a energia cinética dos núcleos da reação deve ser grande para possibilitar o aumento da probabilidade de penetração na barreira coulombiana; esse processo ocorre em núcleos muito leves, a uma temperatura da ordem de 107K , estando, então, os átomos completamente ionizados, prefigurando um estado de plasma.1
· 2) a densidade de matéria presente nas temperaturas envolvidas na reação de fusão deve ser extremamente alta.
O interior das estrelas, em especial o sol, dispõe de todo cenário propício a esse tipo de reação, a densidade do interior do sol é de cerca de 1000 g/cm3 a uma temperatura de 1,5 x 107K. A Figura representa a reação de fusão de hidrogênio em hélio, que ocorre no interior das estrelas e que esteve presente no início da formação do universo, na nucleossíntese primordial.
Conforme a temperatura, núcleos mais pesados podem ser formados. A maior aplicação da fusão nuclear estaria relacionada à geração de energia elétrica em substituição das usinas de fissão nuclear, só que de uma forma mais limpa e segura.
As principais vantagens em relação aos atuais reatores de fissão são:
·  1) o combustível de fácil obtenção e em grande quantidade, o deutério pode ser obtido
da água do mar e trítio obtido no próprio reator de fusão a partir do lítio, o urânio utilizado na fissão é muito raro e de difícil extração;
· 2) a fusão é um processo mais seguro que a fissão, uma vez que a quantidade de combustível empregado é menor, sem liberação descontrolada de energia e as taxas de radiação emitidas são
inferiores à taxa de radiação natural que incide na superfície terrestre;
·  3) menor produção de lixo nuclear comparado à fissão, além do que o lixo proveniente da
fusão não é matéria prima pra fabricação de armas nucleares, como no caso da fissão. Atualmente, a NASA tem investido em pesquisas na construção de reatores nucleares de fusão para gerar energia para foguetes espaciais. Propulsores a fusão seriam mais eficientes e tornariam os foguetes mais velozes, além de propiciar viagens mais longas, uma vez que o combustível (hidrogênio) seria gerado de forma ilimitada no processo.
Fusão em Plasma;
 Em primeiro lugar, recordemos que a colisão de dois núcleos de deutério rio gera um núcleo de Hélio mais um nêutron e libera uma energia de 5,12 x 10-13 Joules (3,2 Mev). Se esta energia fosse transferida para um grama de água, na forma de calor, a temperatura da água aumentaria de apenas 1,26 x 10-13°C. Portanto, para se ter um aumento significativo de temperatura da água, gerar vapor e movimentar as turbinas de uma Usina de Energia, necessitamos de um número muito grande de reações de Fusão.
Resta então a questão: Como obter este grande número de reações? A resposta óbvia é: coloque o maior número possível de núcleos de deutério em condições de reação. Muito fácil de responder, mas anos e anos de pesquisa em física de plasma demonstram que é muito difícil fazê-lo.
Para entender as dificuldades vamos tomar, apenas por hipótese, uma certa quantidade de átomos de deutério em estado sólido. Obviamente, um grama de deutério tem um número muito grande de átomos que, se reagissem, forneceriam muita energia. No entanto, os átomos de deutério em estado sólido estão praticamente parados e não têm energia cinética suficiente para vencer a repulsão coulombiana. Portanto, não estão em condições de realizar uma reação de fusão. Para vencer a repulsão coulombiana deve-se aumentar a energia cinética dos átomos de deutério, o que pode ser feito aquecendo-se o sólido. Ao aumentarmos a temperatura, osólido sofre uma transição de fase transformando-se primeiramente num líquido e depois num gás. Num gás, uma percentagem grande das partículas tem uma energia cinética próxima da energia cinética média que é proporcional à temperatura:

(onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura medida em kelvin). Assim, para vencer a repulsão coulombiana, o nosso gás de deutério deve estar a uma temperatura de aproximadamente 116.000.000 graus Celsius. (Isto corresponde a uma energia cinética média de 10 keV.)
Esta temperatura assombrosa traz consigo algumas perguntas. Como aquecer um gás a esta temperatura? Como confinar um gás tão quente? Será que a matéria não se modifica a temperaturas tão altas? As duas primeiras perguntas parecem ter uma natureza tecnológica, no entanto, a sua solução só poderá ser obtida se soubermos mais sobre a terceira indagação cuja natureza científica é evidente. Um primeiro aspecto a ser considerado é que, após uma certa temperatura, um gás usualmente constituído de átomos e moléculas sofre transformações, pois os elétrons são arrancados dos átomos e as moléculas se quebram devido à violência dos choques. Em temperaturas da ordem de 20.000 a 30.000°C não haverá mais átomos e moléculas, mas apenas íons e elétrons viajando e se chocando em velocidades fantásticas.
Estes íons e elétrons não mais se comportarão como um gás, visto que, além das colisões, sentirão os efeitos do campo elétrico e magnético devido às suas cargas e correntes. Isto caracteriza um novo estado da matéria denominado plasma pelos físicos americanos Langmuir e Tonx em 1923. Portanto, em busca das condições adequadas de confinamento e temperatura para ocorrência de fusões nucleares, nos deparamos naturalmente com este novo estado da matéria que é o plasma. Um estudo das características do plasma vai nos permitir inclusive entender como é possível manter uma certa quantidade de substância confinada a temperaturas tão altas.
Características fundamentais do plasma e suas implicações;
Um plasma se caracteriza por ser um gás altamente ionizado, quase neutro e não se encontrar em equilíbrio térmico. A primeira característica (alta ionização) já foi discutida. A quase neutralidade se refere ao fato de que, embora a carga total num plasma (cargas positivas dos íons mais cargas negativas dos elétrons) seja praticamente nula, existem regiões onde se pode ter acúmulos significativos de cargas formando zonas não neutras. As regiões onde isso ocorre têm dimensões pequenas em comparação com as dimensões totais do plasma. O acúmulo de cargas (positivas ou negativas) vai afetar as colisões entre os íons e elétrons, pois cria pontos de atração e/ou [[repulsão e estabelece campos de força. Deste modo, o movimento de uma partícula se modificará apenas por choques com contato direto, mas poderão ainda sentir os efeitos da presença de partículas distantes através dos campos de força. A quase-neutralidade pode ainda gerar movimentos coerentes de um grande número de partículas. Estes movimentos, denominados movimentos coletivos, ocorrem, por exemplo, quando um número grande de íons (cargas positivas) se separa de um número grande deelétrons. Nesta situação, surgem forças atrativas que tendem a restaurar a neutralidade, isto é, aproximam as cargas opostas. Isto causa um movimento oscilatório no qual as cargas opostas se aproximam e se afastam. A aplicação de campos externos pode também gerar movimentos coletivos tais como correntes ou mesmo ondas. Portanto, um plasma difere muito de um gás, pois neste último as partículas só sentem a presença das outras quando entram em choque direto. Num plasma as interações de longo alcance geradas pelos campos fazem com que os movimentos de partículas distantes sejam correlacionados. Existem dentro de um plasma dois processos competitivos: de um lado os movimentos coletivos e do outro as colisões. As colisões tendem a destruir a coerência, isto é, a natureza ordenada dos movimentos coletivos, pois espalham as partículas erraticamente. Num projeto de Fusão Nuclear emPlasma se pretende obter uma solução de compromisso entre os dois processos. Isto é, pretende-se utilizar a coerência dos movimentos coletivos para propiciar um número grande de colisões que gerem fusão. Como os dois processos são antagônicos esta solução de compromisso não é fácil.
Projetos em andamento;
Existem diversos projetos em andamento ao redor do mundo, com a finalidade de obter o domínio da tecnologia de fusão nuclear para fins de geração controlada de energia elétrica.
Um dos projetos em andamento é o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), baseado na tecnologia do Tokamak. O financiamento internacional deste projeto ultrapassa a barreira dos 10 bilhões de dólares.
Mais duas imagens do Laboratório do ITER abaixo;

Outras abordagens alternativas para tentar chegar ao domínio da fusão nuclear são estudadas por diversos cientistas. Alguns exemplos são a tecnologia 
de fusiofocus n, desenvolvida pelo físico Eric Lerner;; a fusão por pressão pneumática desenvolvida por Randy Curry4e a fusão por bolhas (sonofusion); e o confinamento eletrostático-inercial (IEC), proposto por Robert Bussard.
Focus Fusion é uma abordagem alternativa para chegar ao domínio da tecnologia da fusão nuclear para fins pacíficos de geração de electricidade. Tem vindo a ser desenvolvida por alguns cientistas como o americano Eric Lerner e o chileno Leopoldo Soto.
A abordagem Focus Fusion pretende usar um dispositivo chamado Dense Plasma Focus (algo como foco de plasma denso), que já é utilizado há quase 40 anos em diferentes tipos de pesquisas, para atingir a fusão de um átomo de boro (isótopo 11) com um ião positivo de hidrogénio (na prática, um simples protão sem electrão). O “combustível” dessa reacção (apelidada de p¹¹B) seria um gás de baixa pressão de hidrogénio e boro.
Para que essa fusão de hidrogénio e boro aconteça, é necessário atingir temperaturas altíssimas, da ordem de 1 bilião de graus. Temperaturas como essa já chegaram a ser atingidas com a utilização do Dense Plasma Focus (DPF), numa experiência na Texas A&M University, no ano de 2001.

Em 12 de Fevereiro de 2014, a revista científica Nature publicou os resultados de experiências de confinamento inercial com laser de alta potência, realizadas no NIF (National Ignition Facility), conduzidas pelo Laboratório Nacional de Lawrence Livermore (EUA).5Nestas experiências, um balanço energético positivo foi alcançado, uma vez que as reações produziram mais energia do que consumiram, criando boas perspectivas para o uso prático da fusão nuclear.
 Por não usar elementos radioativos e sim átomos leves amplamente disponíveis na Terra (como o hidrogênio), a fusão é considerada mais limpa. Além disso, pela fusão é possível obter quantidades muito maiores de energia a partir de quantidades minúsculas de matéria. Estima-se que, se fosse possível usar a fusão para gerar energia elétrica, com o consumo de 10kw seriam obtidos 100kw – um ganho até quatro vezes maior que o conseguido nas usinas de fissão nuclear.
O problema é que até hoje as tentativas de geração de energia por fusão nuclear não se mostraram viáveis. “Uma das técnicas aplicadas para obter a fusão, o confinamento magnético, tem mostrado bons resultados, mas ainda enfrenta alguns obstáculos, como conseguir materiais resistentes para fabricar o reator necessário para geração de energia”, explicou o físico Ricardo Galvão, da Universidade de São Paulo (USP). Outra técnica promissora, o confinamento inercial, não enfrenta essa dificuldade, mas gasta muito mais energia para criar a reação do que se obtém ao final.
Essa foi a técnica usada no experimento dos pesquisadores do Lawrence Livermore e o resultado não foi diferente. Se levado em conta todo o aparato envolvido na reação, não houve ganho energético. Mas, desta vez, os cientistas pelo menos conseguiram que a energia gerada fosse 1,8 vezes maior que a contida no combustível – uma mistura de deutério e trítio (variações do átomo de hidrogênio).
“É um passo muito modesto, mas é mais do que qualquer um conseguiu antes”, disse à CH On-line Omar Hurricane, físico líder da pesquisa, publicada hoje na Nature.

Experimento ‘grandioso’

Para obter a fusão, os cientistas miraram 192 lasers superpotentes em um cilindro metálico dourado chamado de hohlraum (palavra alemã para ‘espaço vazio’). No interior desse objeto, mantido congelado, havia vácuo e também uma cápsula plástica que abrigava o combustível. O aquecimento do metal do hohlraum pelos feixes de laser deu origem a raios X, que pressionaram a cápsula com o combustível.
“A cápsula sofreu uma pressão tão grande que foi comprimida em até 36 vezes”, explicou a física Debbie Callahan, que também participou do experimento, conduzido naNational Ignition Facility (NIF), nos Estados Unidos. “É como comprimir uma bola de futebol até ficar do tamanho de uma ervilha.”
Depois de ser comprimida até ficar com uma densidade três vezes maior que a do centro do Sol, a cápsula de combustível implodiu e os átomos de deutério e trítrio se fundiram, liberando energia.
Apesar de parecer algo grandioso, o hohlraum dentro do qual ocorreu o processo de fusão é menor que um grão de feijão, a cápsula que abrigou o combustível tem apenas 2 mm de diâmetro e o combustível ocupou um espaço de 17 microns (para se ter uma ideia o cabelo humano tem 100 microns de espessura). Além disso, toda a reação aconteceu mais rapidamente que um piscar de olhos, em 150 picossegundos.
Galvão acredita que a razão para o investimento na pesquisa de fusão inercial por parte dos Estados Unidos seja mais político que científico. Segundo o físico, a fusão inercial reproduz em pequena escala a ação de uma bomba nuclear e conduzir essas pesquisas seria uma forma de driblar a proibição de pesquisas de armas nucleares.
Em paralelo às pesquisas da NIF, a União Europeia e o Japão apostam na fusão nuclear por confinamento magnético e planejam a construção de um grande reator, o Iter (sigla para International Thermonuclear Experimental Reactor), que deve ficar pronto em 2015 na França.
De todo modo, Galvão reitera a importância de investir nas pesquisas de fusão independentemente da técnica usada. “Os resultados da NIF animam muito, pois mostram uma compreensão mais detalhada da fusão nuclear”, diz. E continua: “Os países mais ricos ganhariam muito com a fusão nuclear e o Brasil também. Em teoria, não precisamos dessa energia porque dispomos de hidrelétricas, mas em eventos como a seca que estamos vendo agora, a fusão nuclear poderia ser usada como backup sem ter o impacto no meio ambiente que têm as termoelétricas que usamos hoje.” 
Ainda estamos longe do domínio definitivo e seguro desta tecnologia que ao contrario da fissão que é a quebra dos átomos. Esta última, gera energia mas também radiação.
 A fusão é totalmente limpa.
 Nas pesquisas tem se gastado mais energia para gerar o processo do que realmente ter um ganho energético. Aguardamos portanto,que o sonho do homem em ter uma energia muito segura e duradora,possa permitir outros sonhos, quem sabe, o espaço...
Fontes:

J.A.


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